FLNG船凝析油艙與LNG艙過渡區(qū)域結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析及優(yōu)化

顧 俊 何建軍 劉宇辰 鄭凱奇

(1.中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海 200011；2.江蘇韓通船舶重工有限公司 江蘇南通 226361；3.廣船國際有限公司 廣東廣州 511462)

浮式液化天然氣生產(chǎn)儲(chǔ)卸裝置(FLNG)是集海上天然氣的預(yù)處理、液化、儲(chǔ)存、外輸為一體的新型浮式裝置，主要用于海洋油氣田的開發(fā)[1]。不同于一般的海工裝備，F(xiàn)LNG系統(tǒng)龐雜，技術(shù)難度大，安全性要求高，對(duì)船企開發(fā)設(shè)計(jì)建造的要求非常苛刻。目前，世界上僅韓國少數(shù)船企掌握新建FLNG的開發(fā)設(shè)計(jì)建造能力，我國還未有FLNG實(shí)船自主開發(fā)設(shè)計(jì)建造的先例[2]。

由于要裝載液化天然氣(LNG)、液化石油氣(LPG)和凝析油這三類液體，LNG艙和LPG艙采用法國GTT(Gaztransport and Technigaz)公司研制的NO96型貨物圍護(hù)系統(tǒng)。要求將薄膜層固定于具備光滑表面的船體內(nèi)殼，因此LNG貨艙和LPG貨艙區(qū)結(jié)構(gòu)須設(shè)置雙層甲板和雙層隔離橫艙壁。但是為了擴(kuò)大艙容和方便洗艙，在凝析油艙區(qū)仍采用單層甲板、單層橫艙壁結(jié)構(gòu),薄膜艙采用雙甲板、雙內(nèi)殼、雙底結(jié)構(gòu),而凝析油艙采用單甲板、雙內(nèi)殼、雙底結(jié)構(gòu),從而導(dǎo)致雙甲板變單甲板區(qū)域的強(qiáng)度面臨考驗(yàn)，須對(duì)此區(qū)域的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)估。同時(shí)，凝析油艙與LNG貨艙之間的過渡結(jié)構(gòu)是艙段強(qiáng)度分析的關(guān)注重點(diǎn)，通過縱向構(gòu)件的合理延伸或取消且避免結(jié)構(gòu)突變可以降低過渡結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平。由于結(jié)構(gòu)突變處靠近船中范圍內(nèi)，總縱彎矩還是維持在較高的值，因此有必要對(duì)凝析油艙與LNG艙之間的過渡結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析。

國內(nèi)外有眾多學(xué)者對(duì)FLNG、浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油卸油裝置(FPSO)或與之類似的裝載液態(tài)LNG的B型獨(dú)立液貨艙的強(qiáng)度問題進(jìn)行了研究；楊貴強(qiáng)[3]采用直接計(jì)算法評(píng)估了FPSO的總縱強(qiáng)度。劉東進(jìn) 等[4]針對(duì)LNG SPB 型獨(dú)立液貨艙進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，利用艙段有限元模型進(jìn)行了直接計(jì)算；闞濤 等[5]對(duì)270 000 m3的FLNG進(jìn)行了整船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估；張倩倩 等[6]對(duì)FLNG船的彎扭強(qiáng)度進(jìn)行了分析；SHIN H S等[7]針對(duì)343 000 DWT的FPSO進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并做了相關(guān)的結(jié)構(gòu)分析。張玉奎 等[8]針對(duì)230 000 m3LNG FPSO艙段進(jìn)行了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，且大多主要集中在LNG艙的艙段分析。以上學(xué)者所研究的FLNG船型均是具有連續(xù)縱向構(gòu)件的艙段，研究對(duì)象集中于整體的應(yīng)力水平，沒有針對(duì)局部過渡結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，而目前針對(duì)FLNG凝析油艙與LNG艙過渡結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)還沒有公開發(fā)表的研究成果。

本文以一艘船體縱向結(jié)構(gòu)存在突變的FLNG船為研究目標(biāo)，采用直接計(jì)算法對(duì)目標(biāo)船艙段模型進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)估，計(jì)算了目標(biāo)船過渡區(qū)域的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及應(yīng)力水平，并以此改進(jìn)了目標(biāo)船水平桁以及垂直桁過渡區(qū)域的結(jié)構(gòu)形式、內(nèi)甲板過渡區(qū)域和甲板縱桁結(jié)構(gòu)，以期為FLNG的設(shè)計(jì)提供參考。

1 FLNG船體概況

本文所研究的FLNG船是中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院響應(yīng)國家戰(zhàn)略提前研究的一種高科技海工船型，船體總長376 m，總寬58 m，容量約為230 000 m3。主船體結(jié)構(gòu)采用普通鋼、HT32鋼和HT36鋼，最小屈服應(yīng)力分別為235、315、355 MPa；根據(jù)BV規(guī)范，其粗網(wǎng)格屈服強(qiáng)度的許用應(yīng)力分別為226、290、314 MPa。根據(jù)擬開發(fā)氣田的產(chǎn)能、油氣成分的特點(diǎn)，該裝置擬同時(shí)裝載LNG、LPG、凝析油等3類油氣。按照最危險(xiǎn)的油氣距離生活區(qū)最遠(yuǎn)的原則，船艙布置從首到尾依次是1對(duì)LPG艙、3對(duì)LNG艙和2對(duì)凝析油艙(圖1)。由于此3類油氣的物理、化學(xué)性質(zhì)不同，貨艙區(qū)具有3種不同的結(jié)構(gòu)形式。而凝析油密度為0.8 t/m3，安全閥壓力為25 kPa；LNG密度為0.5 t/m3，安全閥壓力為70 kPa。LNG艙和LPG艙具有雙層甲板，凝析油艙只有單甲板，使得主船體縱向結(jié)構(gòu)存在突變，易產(chǎn)生較大的應(yīng)力，因此根據(jù)Bureau Veritas(BV)船級(jí)社規(guī)范，此區(qū)域的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度需要利用有限元直接計(jì)算來進(jìn)行評(píng)估。

圖1 FLNG船總布置圖Fig.1 General arrangement of FLNG

2 FLNG艙段計(jì)算模型建立

根據(jù)BV浮式氣體裝置規(guī)范(NR542)[9]和BV海工規(guī)范(NR445)[10]以及部分鋼制船規(guī)范(NR467)[11]，有限元模型中的所有單元均采用其凈尺寸進(jìn)行建模。強(qiáng)度分析基于三艙段的三維模型，有限元網(wǎng)格由殼單元和梁單元構(gòu)成，因此所用有限元的標(biāo)準(zhǔn)尺寸基于普通骨材的間距。結(jié)構(gòu)模型根據(jù)以下標(biāo)準(zhǔn)建立：四邊形單元長寬比不超過4，大多數(shù)單元的長寬比接近于1且避免使用三角形單元。有限元分析軟件采用BV船級(jí)社開發(fā)的VeriSTAR Hull軟件，前、后處理采用西門子公司的Femap軟件。

有限元分析時(shí)采用笛卡爾直角坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點(diǎn)位于船舶對(duì)稱縱剖面0號(hào)肋位和基線的相交處；x軸為縱向軸，向前為正；y軸為橫向軸，向左為正；z軸為垂向軸，向上為正?；凇皟簟背叽绲姆椒ǎㄟ^從構(gòu)件尺寸中減去名義設(shè)計(jì)腐蝕裕度，得到凈構(gòu)件尺寸。在分析中，建立了LNG艙與凝析油艙三艙段的三維模型(圖2)，并根據(jù)結(jié)構(gòu)的剛度和預(yù)期響應(yīng)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)理想化處理，保留了兩端艙壁前后兩個(gè)框架及所有主要承載構(gòu)件，從而使分析模型不僅適用于評(píng)估甲板、內(nèi)殼、底部、內(nèi)底、縱向艙壁和橫向艙壁的船體板，還可用于重點(diǎn)評(píng)估過渡區(qū)域的結(jié)構(gòu)。

3 計(jì)算工況及載荷選取

3.1 計(jì)算工況

計(jì)算工況整體上分為拖航工況和作業(yè)工況。拖航工況的海況更加惡劣，是船體梁強(qiáng)力構(gòu)件的決定工況；而作業(yè)工況的裝載型式復(fù)雜，上部模塊的重量更大，將對(duì)結(jié)構(gòu)的局部應(yīng)力水平起決定作用。拖航工況為典型的壓載工況，所有貨艙為空，模塊重量采用干重。而作業(yè)工況中，規(guī)范中明確要求要計(jì)算的裝載組合包括滿載、壓載、隔艙裝和“品”字形裝載等4種，各種裝載型式及對(duì)應(yīng)的吃水見表1，模塊重量采用濕重。

表1 FLNG作業(yè)工況下的裝載型式和對(duì)應(yīng)吃水

Table 1 Loading pattern and draught of FLNG in site condition

另外，BV規(guī)范中通過把各種載荷進(jìn)行組合，又規(guī)定了4種載荷工況 “a”“b”“c”和“d”[11](圖3)，其中“a”和“b”對(duì)應(yīng)船體正浮狀態(tài)，“c”和“d”對(duì)應(yīng)船體傾斜狀態(tài)，以此模擬實(shí)際運(yùn)營過程中各種不利的受力情況。圖3中，T1為吃水，h1為正浮狀態(tài)下船體相對(duì)運(yùn)動(dòng)參考值，h2為傾斜狀態(tài)下船體相對(duì)運(yùn)動(dòng)參考值，QWV為垂向波浪剪力，MWV為垂向波浪彎矩，MWH為水平波浪彎矩，MWT為波浪扭矩，aY為橫向加速度，aZ為垂向加速度。因此，計(jì)算工況的選取為拖航工況和作業(yè)工況下分別再選取“a”“b”“c”“d”等4種載荷工況。

圖3 BV規(guī)范中規(guī)定的4種載荷工況Fig.3 Four load cases illustration in BV standard

3.2 計(jì)算載荷

計(jì)算相關(guān)的載荷按類型可分為靜水載荷、波浪載荷和加速度載荷。靜水載荷由總體專業(yè)提供的裝載手冊(cè)得到，包括各裝載工況下吃水、靜水彎矩和靜水剪力。波浪載荷和加速度載荷由三維水動(dòng)力分析得到，其中波浪載荷包括波浪彎矩、波浪剪力和相對(duì)波面升高，加速度載荷包括縱蕩加速度、橫蕩加速度、垂蕩加速度、首搖加速度、橫搖加速度及幅值和縱搖加速度及幅值(表2)。

表2 FLNG載荷計(jì)算中的加速度載荷Table 2 Values of the accelerations for FLNG loading caculation

4 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析及優(yōu)化

4.1 水平桁及垂直桁過渡區(qū)域結(jié)構(gòu)

在LNG艙中，由于GTT相關(guān)要求，LNG艙內(nèi)須保持光滑，水平桁不設(shè)置肘板；在凝析油艙中，結(jié)構(gòu)形式仿照一般油船，水平桁設(shè)置大肘板。由于水平桁位于LNG艙與凝析油的過渡區(qū)域，屬于結(jié)構(gòu)重點(diǎn)考察區(qū)域。垂直桁與水平桁類似,在水平桁及垂直桁設(shè)定H1、H2、V1考察區(qū)域，其中H1和H2為LNG艙與凝析油艙過渡區(qū)域水平桁重點(diǎn)考察區(qū)域，V1為LNG艙與凝析油艙過渡區(qū)域垂直桁重點(diǎn)考察區(qū)域(圖2、4)。

經(jīng)過有限元計(jì)算，在H1、H2、V1點(diǎn)處均出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中(圖5～7)。其中,水平桁2、3以及距中10 650 mm的垂直桁(所在位置見圖2)應(yīng)力集中最為嚴(yán)重;水平桁上最大應(yīng)力點(diǎn)出現(xiàn)在水平桁3靠近凝析油艙位置處，值為514 MPa;垂直桁上最大應(yīng)力出現(xiàn)在垂直桁開孔處，值為454 MPa。需要說明的是，此處所說的應(yīng)力為上述所有計(jì)算工況的包絡(luò)值。

經(jīng)過分析，H1、H2、V1點(diǎn)處承受較大剪切力，可通過增加剪切面積降低應(yīng)力水平。由于LNG艙采用NO96薄膜型艙，艙內(nèi)必須保持光滑無任何結(jié)構(gòu)，因此只能在靠近凝析油艙一側(cè)的水平桁及垂直桁處設(shè)置肘板(圖8)，以增加剪切面積，從而大幅度降低應(yīng)力集中。同時(shí)，肘板背面，水平桁及垂直桁靠近LNG艙處的應(yīng)力也會(huì)大幅度下降。水平桁3和垂直桁采用HT36鋼，粗網(wǎng)格屈服強(qiáng)度的許用應(yīng)力314 MPa。

圖4 FLNG上的凝析油艙與LNG艙過渡區(qū)重點(diǎn)考察區(qū)域Fig.4 Key study area of transition region between condensate tank and LNG tank of FLNG

圖5 FLNG上 H1點(diǎn)Von Mises應(yīng)力云圖Fig.5 Von Mises stress contour of H1 on FLNG

圖6 FLNG上H2點(diǎn)Von Mises應(yīng)力云圖Fig.6 Von Mises stress contour of H2 on FLNG

圖7 FLNG上V1點(diǎn)Von Mises應(yīng)力云圖Fig.7 Von Mises stress contour of V1 on FLNG

圖8 經(jīng)過優(yōu)化后的FLNG上的LNG艙與凝析油艙過渡區(qū)重點(diǎn)考察區(qū)域Fig.8 Key study area of transition region between LNG tank and condensate tank of FLNG after optimization

此外,設(shè)置肘板后，水平桁3靠近LNG艙交點(diǎn)處(圖6圓圈位置)應(yīng)力由原來的448 MPa下降至229 MPa。垂直桁靠近LNG艙交點(diǎn)處(圖7圓圈位置)應(yīng)力由307 MPa下降至214 MPa。同時(shí)垂直桁開孔附近應(yīng)力由454 MPa下降至267 MPa，均能滿足粗網(wǎng)格屈服強(qiáng)度衡準(zhǔn)。設(shè)置肘板后，在肘板趾端出現(xiàn)了高應(yīng)力區(qū)，水平桁肘板趾端應(yīng)力最大值為353 MPa，垂直桁肘板趾端應(yīng)力最大值為410 Mpa，均超過了粗網(wǎng)格屈服強(qiáng)度衡準(zhǔn)，但由于趾端單元過小，需要進(jìn)行基于50 mm×50 mm的細(xì)網(wǎng)格的分析，細(xì)網(wǎng)格分析結(jié)果滿足細(xì)網(wǎng)格屈服強(qiáng)度衡準(zhǔn)。

在保證船體結(jié)構(gòu)安全性的前提下，船體結(jié)構(gòu)輕量化是設(shè)計(jì)者追求的目標(biāo)之一，設(shè)計(jì)出重量輕的空船重量有利于提高載重量，節(jié)約船廠造船成本。根據(jù)有限元分析可知，H1、H2和 V1處大肘板根部材料采用HT32或HT36鋼強(qiáng)度鋼，Von Mises應(yīng)力較低，小于200 MPa，因此，大肘板根部存在較大優(yōu)化空間，可以通過開孔進(jìn)一步減輕結(jié)構(gòu)重量。因此，考慮在大肘板根部開孔對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，開孔位于大肘板根部的低應(yīng)力區(qū)域，開孔的形狀為近似直角三角形，直角三角形的三個(gè)角做導(dǎo)圓角處理以防止應(yīng)力集中，每個(gè)肘板的根部只開一個(gè)孔。如圖9所示，經(jīng)過優(yōu)化后，H2點(diǎn)肘板附近區(qū)域結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平與優(yōu)化前類似，但結(jié)構(gòu)重量減輕了約1.5 t。開孔后，最大應(yīng)力位于肘板趾端，值為361 MPa，超過了粗網(wǎng)格屈服強(qiáng)度衡準(zhǔn)，但由于趾端單元過小，需要進(jìn)行基于50 mm×50 mm的細(xì)網(wǎng)格分析，其結(jié)果滿足細(xì)網(wǎng)格屈服強(qiáng)度衡準(zhǔn)。H1和V1點(diǎn)采用的優(yōu)化手段、效果和H2點(diǎn)類似。

圖9 凝析油艙內(nèi)的肘板進(jìn)行挖洞優(yōu)化后H2點(diǎn)Von Mises應(yīng)力云圖Fig.9 Von Mises stress contour of H2 in condensate tank after optimization

4.2 內(nèi)甲板過渡區(qū)域結(jié)構(gòu)

在LNG艙與凝析油艙過渡區(qū)域，內(nèi)甲板逐漸進(jìn)行過渡。過渡形式及其結(jié)構(gòu)尺寸如圖10所示，經(jīng)過計(jì)算在圖10中紅圈位置出現(xiàn)應(yīng)力集中，須進(jìn)行局部板格的嵌厚。

經(jīng)過有限元分析可知，靠近舷側(cè)兩根甲板縱桁(標(biāo)號(hào)為D11和D21)以及其下內(nèi)甲板過渡區(qū)域(標(biāo)號(hào)為D1和D2)應(yīng)力較小，靠近船中縱處的甲板縱桁(標(biāo)號(hào)為D31和D32)以及內(nèi)甲板靠近中縱處的轉(zhuǎn)圓處(標(biāo)號(hào)為D3)應(yīng)力較大(圖11、12)。

圖10 FLNG上凝析油艙和LNG艙之間的內(nèi)甲板過渡結(jié)構(gòu)Fig.10 Inner deck transition structure between condensate tank and LNG tank of FLNG

圖11 凝析油艙和LNG艙之間內(nèi)甲板過渡處Von Mises應(yīng)力云圖Fig.11 Von Mises stress contour of inner deck transition area between condensate tank and LNG tank

圖12 凝析油艙和LNG艙之間內(nèi)甲板縱桁過渡結(jié)構(gòu)Von Mises應(yīng)力云圖Fig.12 Von Mises stress contour of deck longitudinal girder transition structure between condensate tank and LNG tank

對(duì)于內(nèi)甲板的過渡結(jié)構(gòu)，根據(jù)GTT的要求，在進(jìn)行規(guī)范計(jì)算時(shí)，LNG艙的內(nèi)甲板縱向應(yīng)力限制不能大于120 MPa，因此LNG艙的主甲板剖面模數(shù)裕量很大，約為30%，從而導(dǎo)致主甲板和內(nèi)甲板的縱向應(yīng)力都不大。盡管在凝析油艙處內(nèi)甲板存在突變，但由于此處的主甲板剖面模數(shù)裕量很大，即使存在突變，突變處內(nèi)甲板的應(yīng)力也不是很大，從經(jīng)濟(jì)性及提高載重量的原因出發(fā)，內(nèi)甲板的過渡結(jié)構(gòu)存在優(yōu)化空間。經(jīng)過有限元直接計(jì)算結(jié)果得知，D11和D21兩根甲板縱桁上的Von Mises應(yīng)力很小，大部分都小于150 MPa，因此可以取消靠近舷側(cè)的兩根甲板縱桁D11和D21，僅對(duì)內(nèi)甲板靠近舷側(cè)以及中縱處設(shè)置轉(zhuǎn)圓弧。

經(jīng)過優(yōu)化后，內(nèi)甲板靠近中縱的轉(zhuǎn)圓處應(yīng)力由220 MPa上升到242 MPa?？拷锌v處的甲板縱桁應(yīng)力集中位置的應(yīng)力由254 MPa上升到326 MPa(圖13)。應(yīng)力有一定上升，但是通過適當(dāng)?shù)木植壳逗窦訌?qiáng)，即將板厚由原來的18AH36增加至20AH36，可以使得應(yīng)力滿足規(guī)范粗網(wǎng)格許用要求。由于取消靠近舷側(cè)的兩根甲板縱桁D11和D21，使得優(yōu)化后的甲板結(jié)構(gòu)重量減輕了約2.6 t。內(nèi)甲板結(jié)構(gòu)優(yōu)化后結(jié)構(gòu)見圖14。

圖13 內(nèi)甲板結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的Von Mises應(yīng)力云圖Fig.13 Von Mises stress contour of inner deckstructure after optimization

圖14 內(nèi)甲板結(jié)構(gòu)優(yōu)化后結(jié)構(gòu)Fig.14 Inner deck structure after optimization

5 結(jié)論

以某前期開發(fā)設(shè)計(jì)的大型FLNG船為例，開展了大型FLNG船凝析油艙與LNG艙之間過渡結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度計(jì)算分析，以減輕結(jié)構(gòu)重量為目標(biāo)，針對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析。結(jié)果表明：應(yīng)對(duì)凝析油艙與LNG艙之間的水平桁、垂直桁根部設(shè)置大肘板，以增大根部的剪切面積，降低應(yīng)力水平，同時(shí)在大肘板端部開洞可減輕結(jié)構(gòu)重量；對(duì)于內(nèi)甲板過渡結(jié)構(gòu)，由于在有限元分析之前進(jìn)行了規(guī)范計(jì)算，內(nèi)甲板的縱向應(yīng)力控制在120 MPa以內(nèi)，結(jié)構(gòu)很冗余，從而可取消靠近舷側(cè)的兩根甲板縱桁，以滿足結(jié)構(gòu)輕量化的要求。本文研究可為我國大型FLNG設(shè)計(jì)建造提供借鑒，尤其是為FLNG在結(jié)構(gòu)突變過渡區(qū)域的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、分析、優(yōu)化過程提供幫助。